精對苯二甲酸生產裝置中TA2螺柱的斷裂原因

姜 勇，鞏建鳴，湯鵬杰，余 果

（南京工業大學機械與動力工程學院，南京211816）

0 引 言

精對苯二甲酸（PTA）生產線氧化工段的現場工況最為苛刻［1］，工作介質中含有腐蝕性很強的對苯二甲酸、醋酸、溴離子等，且溫度高于135℃，因此，氧化工段的結晶器內襯、攪拌器以及與攪拌器聯接的螺柱用材料均選用鈦合金［2-4］，這是因為鈦合金具有良好的耐腐蝕性能［5-8］。在實際生產中，鈦合金零部件也經常發生疲勞斷裂，嚴重影響生產安全，但關于這方面的失效分析報道尚不多見［9］。

某廠PTA生產線氧化工段結晶單元的結晶器攪拌器上用以聯接上、下半軸組件的螺柱，在2a時間里發生了數起斷裂事故。這些螺柱規格均為M30，材料為TA2鈦合金，最長使用時間為4.5a，有的僅幾個月。結晶器內部工作壓力約為1MPa，攪拌器轉速均為53r·min-1。這幾起事故中螺柱的斷裂情況基本相同，為查明斷裂原因，作者對其中一起事故中的斷裂螺柱進行了失效分析。

1 理化檢驗與結果

1.1 斷裂螺柱的宏觀形貌

由圖1（a）可以看出，事故發生后，仍有3個螺柱連在法蘭上，且均發生了較大變形，變形方向與攪拌軸的轉動方向一致。仔細觀察法蘭孔可以發現，在10個法蘭孔中，左側的5個變形嚴重，且有擠壓痕跡，而右側的5個則幾乎沒有變形，如圖1（b）所示。由于事發突然，急于恢復生產，在搶修現場遺失了2個斷裂的螺柱。保留下來的8個螺柱的斷口上均覆蓋有物料，其中4個螺柱斷口具有較明顯的宏觀疲勞開裂特征，疲勞源區均位于螺紋牙底，選取其中最具代表性、斷口保存也最完整的2＃螺柱（與2＃法蘭孔對應）進行研究，其宏觀斷口形貌如圖1（c）所示；另外4個螺柱的斷口主要表現為新鮮的韌性斷口，選取與7＃法蘭孔對應的7＃螺柱進行分析，其宏觀斷口形貌如圖1（d）所示。根據螺柱斷口特征以及法蘭孔的變形情況可初步判斷，在服役過程中，與2?！?＃法蘭孔對應的螺柱中的一個或幾個首先開裂，失去承載能力，致使剩余的螺柱無法承受巨大的工作載荷而變形，最終過載斷裂。在變形以及斷裂過程中，螺柱不斷擠壓摩擦法蘭孔，使其發生嚴重變形。

1.2 斷口的微觀形貌

2＃螺柱斷口疲勞源區被腐蝕產物覆蓋（根據EDS分析結果可知腐蝕產物主要為氧化物），無法找到明顯的疲勞源，如圖2（a）所示，但在其疲勞擴展區中觀察到了如圖2（b）中箭頭所示的疲勞條帶。

7＃螺柱裂紋啟于螺紋根部，擴展區表現為撕裂棱特征并存在二次裂紋，如圖2（c）所示，但擴展區的范圍很小，斷口的絕大部分面積為瞬斷區，微觀上表現為韌窩特征，如圖2（d）所示。

斷口的微觀形貌表明，2＃螺柱為疲勞斷裂，7＃螺柱為快速過載斷裂。

1.3 斷口上腐蝕產物的化學成分

從圖3中可以看出，2＃和7＃螺柱斷口上均含有一定數量的氧和溴元素。眾所周知，鈦優良的耐腐蝕性能是由于其與氧具有很強的親和力，在表面可形成一層穩定且致密的氧化膜，從而阻止腐蝕性介質向金屬內部侵蝕。在實際生產過程中，為了使結晶器內尚未氧化的物料進一步氧化，通常會通入少量空氣進行二次氧化。因此結晶器中的鈦合金構件處于氧化性的環境中，可以很好地抵抗溴離子腐蝕，故腐蝕產物中的溴元素主要源于附著在斷口上的物料。

1.4 螺柱的顯微組織和螺紋加工方法

該法蘭上螺柱的螺紋要求為滾壓螺紋，因此在分析螺柱顯微組織的同時也對螺紋的加工方法進行了檢查。

由圖4可見，2＃和7＃螺柱的組織類似，均為等軸的α相＋類似鋸齒狀的α片狀組織，局部殘留有少量細小顆粒狀β相。

由圖5可見，2＃和7＃螺柱的螺紋牙底部均存在明顯的擠壓變形?？梢源_定，該螺紋為滾壓螺紋。用滾壓的方法加工螺紋會在螺紋牙上形成殘余壓應力，提高螺柱的承載能力及抗疲勞性能［10］，從而提高其使用安全性。

1.5 力學性能

為減少螺柱斷裂發生的變形對其力學性能的影響，拉伸試樣和沖擊試樣均取自螺柱上遠離斷口的位置。

從表1中可以看出，這5個螺柱的力學性能差別較大，其中3＃螺柱和7＃螺柱的抗拉強度甚至低于GB/T 2965-1996要求的標準值，強度偏低將直接影響它的疲勞性能。

圖1 斷裂螺柱的宏觀形貌Fig.1 Macrographs of fracture threaded studs：（a）fractured threaded studs；（b）deformed flange holes；（c）2＃fatigue fracture stud and（d）7＃ overloaded fracture stud

圖2 螺柱斷口的SEM形貌Fig.2 SEM morphology of stud fracture：（a）fatigue origin area of 2＃ stud；（b）fatigue propagation area of 2＃ stud；（c）crack propagation area of 7＃ stud and（d）final rupture area of 7＃ stud

圖3 2＃和7＃螺柱斷口上腐蝕產物的SEM形貌及EDS分析結果Fig.3 SEM morphology and EDS analysis results of corrosion products on fracture surface of 2＃ and 7＃ studs：（a）2＃ stud，SEM morphology；（b）2＃stud，EDS analysis result；（c）7＃stud，SEM morphology and（d）7＃stud，EDS analysis result

圖4 2＃和7＃螺柱的顯微組織Fig.4 Microstructure of 2＃stud（a）and 7＃stud（b）

圖5 2＃和7＃螺紋螺柱牙底的顯微組織Fig.5 Microstructure of roots of threads：（a）2＃ stud and（b）7＃ stud

表1 螺柱的力學性能Tab.1 Mechanical properties of studs

2 斷裂原因分析

根據以上分析結果可知，首先斷裂的螺柱為典型的疲勞斷裂。為查明疲勞載荷來源，與使用單位溝通后了解到，該攪拌軸的軸承存在偏磨現象，在轉動時攪拌軸的軸線與筒體的軸線之間會出現小幅擺動，從而導致聯接法蘭的螺柱承受額外的疲勞載荷。

一般來說，材料的強度越低，越容易發生早期疲勞斷裂，在疲勞載荷作用下，強度最低的3＃螺柱首先失效，從而導致其它螺柱的受力情況不斷惡化，依次發生疲勞斷裂，直至剩余的螺柱無法承受工作載荷而最終發生過載斷裂。

3 結論與建議

該結晶器內攪拌軸的軸承發生偏磨，導致攪拌軸發生擺動，引起螺柱受到額外的疲勞載荷，是其在很短的時間內就發生疲勞斷裂的主要原因；同時這些螺柱的強度相差較大，強度低的螺柱先斷裂，剩余螺柱受力情況不斷惡化是重要的促進因素，最終導致所有聯接螺柱發生斷裂。

在強腐蝕性環境中使用的零部件，除了要考慮腐蝕問題以外，工作時設備的受力情況也要加以關注。設備的安裝或者維修都要嚴格遵守操作規范，提高安裝精度，減少失效的誘發因素。另外，采購力學性能穩定的零部件，也是設備安全長周期運行的保證。

［1］余存燁.PTA裝置用鈦現狀與演變［J］.鈦工業進展，2000（3）：32-34.

［2］余存燁.PTA裝置腐蝕與防護分析［J］.化工設備與管道，2000，37（4）：54-58.

［3］馬秋林.PTA裝置中不銹鋼材料的選用及分析［J］.合成纖維工業，2002，25（3）：43-46.

［4］朱玉斌，李中奎，周廉.稀有金屬材料的耐蝕性及其在化工領域的應用［J］.稀有金屬快報，2004，23（1）：25-29.

［5］余存燁.石化鈦設備腐蝕實例［J］.腐蝕與防護，2008，29（4）：15-19.

［6］蔣偉，趙金平，龔敏.鈦及鈦合金在防腐應用中的研究現狀［J］.輕金屬，2007，29（9）：59-63.

［7］余存燁.鈦制化工設備特殊腐蝕實例及防止對策［J］.化工設備與防腐蝕，2002，5（1）：63-66.

［8］余存燁.耐蝕鈦合金的發展［J］.鈦工業進展，2003（1）：12-20.

［9］劉仁宇，何宇廷，杜金強，等.基于有限元建模的某飛機連接件螺栓頭斷裂分析［J］.機械工程材料，2010，34（8）：79-82.

［10］溫愛玲，王生武，楊軍永，等.采用復合高能噴丸提高工業純鈦的疲勞性能［J］.機械工程材料，2010，34（1）：55-57.